[发明专利]一种基于双层动态切换观测器的分布式安全状态重构方法

说明书

本发明公开了一种基于双层动态切换观测器的分布式安全状态重构方法，包括如下步骤：根据多智能体系统构建其传感通道在遭受攻击后的动力学模型；结合具体的多智能体系统模型为每一个多智能体搭建双层观测器，构造合适的观测通信拓扑，并设计相应的残差生成器；针对观测模型分析生成残差阈值的动态信息，检验每一个残差信号与阈值之间的大小，根据比较的大小动态地切换观测器间的通信拓扑，进行新的数据通信交互；结合自身的观测数据和收到的邻居的观测信息进行迭代更新生成新的观测数据，并以残差信号是否大于当前的阈值作为判断对应通信通道是否遭受攻击的标准。本发明能够确保正确识别出所有遭受恶意攻击的传输通道且安全重构出系统的真实状态。

技术领域

本发明涉及安全控制技术领域，尤其是一种基于双层动态切换观测器的分布式安全状态重构方法。

背景技术

进入21世纪，以智能化、无人自主化为主的多智能体系统已成为系统与控制技术领域的研究热点并在无人工厂、智能物流、智慧城市等领域取得了重要应用。同时，多智能体系统在联合侦查、精确打击、协同对抗等方面的重要作用使其成为军事作战领域必不可少的一部分。值得注意的是，多智能体系统在提高系统效率的同时，使得系统更容易遭受网络攻击，尤其在远程控制工作环境中，其与远程交互中心进行通信时极易被恶意攻击者操纵部分传输数据，使得远程中心对多智能体的运行判断形成信息紊乱，造成指挥与决策上的错误，严重危及整个系统的正常运作甚至是相关人员的人身安全。传统集中式的稀疏攻击识别方法由于其巨大的计算复杂度，在面对大规模广域分布的多智能体系统状态估计时耗资巨大，单纯的分散式或分布式状态估计方法又难以抵抗恶意攻击的侵蚀，因此急需发展一种针对大规模多智能体系统在远程通信时遭遇稀疏传感攻击的安全状态估计方法，以避免上述方法的局限性。

在现有的安全状态重构算法中，文献(L.An and G.H.Yang.Distributed securestate estimation for cyber-physical systems under sensor attacks.Automatica,2019,107:526-538.)利用观测器收集一定时长的量测数据进而构建了一个优化问题来进行系统的安全状态估计，并通过投影梯度下降算法与投票定位算法实现优化问题的求解，从而得到系统的安全状态估计与遭遇稀疏攻击的传输通道定位。该方案优势在于能够做到系统状态的精确重构与攻击定位，但缺陷在于其计算消耗大、在面对时变攻击时的估计延迟问题均不容忽视，且该方法本质上仍然是集中式的处理方案。文献(A.Gusrialdi,Z.Quand M.A.Simaan.Competitive interaction design of cooperative systems againstattacks.IEEE Transactions on Automatic Control,2018,63(9):3159-3166.)在考虑leader-follower多智能体系统遭受外部攻击时，通过为每一个follower智能体构建一个虚拟隐藏网络系统，利用竞争交互的概念设计虚拟系统与物理系统间的交互通信，从而使得多智能体实现弹性一致性跟踪。这个方案的缺陷在于要求每个智能体的攻击存在一致上界，且精确跟踪难以保持。文献(A.Barboni,H.Rezaee,F.Boem and T.Parisini.Detectionof covert cyber-attacks in interconnected systems:a distributed model-basedapproach.IEEE Transactions on Automatic Control,2020,65(9):3728-3741.)为每个智能体分别构建一个基于量测输出的分散式观测器和依赖未知分散式观测输入的分布式龙贝格观测器，通过两种不同的观测器将隐蔽攻击的定位至智能体及其邻居构成的子系统中，并通过残差阈值从该子系统中定位出具体的被攻击的智能体。这个方案的缺陷在于只允许单个智能体的邻居子系统中存在一个遭受攻击的智能体，且该攻击识别方法只能应对单独隐蔽攻击存在的情形。

发明内容